В процессе разработки проекта будут впервые получены следующие ожидаемые результаты:

1. Будет проведен анализ на устойчивость механического равновесия и разработка вычислительных алгоритмов, позволяющих определять оптимальные термобарические и концентрационные условия кинетических режимов смешения в многокомпонентных смесях, в которых происходит смена диффузионных режимов на конвективные; 2. Будет определение спектр теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях;

3. Будет проведено исследование влияния диффузионных механизмов на гидродинамику смешивающихся ммногокомпонентных систем, претерпевающих кинетический переход в конвективную фазу при массопереносе в цилиндрическом и плоском каналах;

4. Будет проведено исследование генерации начальной фазы надкритического течения в пульсационном режиме при различных давлениях и исходных составах многокомпонентных смесей;

5. Будут изучены поведения конвективного структурного формирования, находящегося между двумя параллельными твердыми поверхностями в среде отличающейся плотности, с учетом движения линии контакта по твердой поверхности.

Проведен анализ на устойчивость механического равновесия и разработаны вычислительные алгоритмы, позволяющие определять оптимальные термобарические и концентрационные условия кинетических режимов смешения в многокомпонентных смесях, в которых происходит смена диффузионных режимов на конвективные. Показано, что в тройных газовых смесях вследствие разной диффузионной скорости компонентов возникают условия для реализации конвекции, искажающей ожидаемый при изотермической диффузии парциальный массоперенос. Установлено, что особенность организации концентрационных полей заключается в том, что они формируются при условии уменьшения плотности смеси с высотой. В рамках теории устойчивости рассмотрено решение системы уравнений гидродинамики для изотермической тройной смеси.  Для плоского вертикального диффузионного канала получено граничное соотношение, позволяющее для конкретных p – V – T условий прогнозировать переход из диффузионного состояния в конвективное. Определены критические числа Рэлея для четных и нечетных решений, а также получены характерные значения для скорости конвективного смешения. Показано, что в условиях развитой конвекции изменение интенсивности переноса компонентов в зависимости от давления связано с модой возмущений, определяющей различные виды конвективных течений.

Ведется работа по разработке модели кинетического перехода «диффузия – конвекция». Для вертикального цилиндрического канала будут определены критические числа Рэлея.

Проведено определение спектра теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях. Физическая интерпретация по возникновению конвективной неустойчивости и последующего развития гидродинамических возмущений детально описаны в литературе. Однако использование формализма тепловой задачи Рэлея для описания изотермического многокомпонентного смешения при условиях начальной устойчивой стратификации смеси требует учитывать влияние уже нескольких парциальных градиентов концентраций.  Важность такой корректировки была показана в работах исследовательской группы, в которых было установлено, что в тройных системах с различными молекулярными весами M_i и различными коэффициентами диффузии D_ij имеют место затухающие и нарастающие конвективные возмущения. Последние могут являться причиной возникновения структурированных течений при многокомпонентной диффузии. Однако такой подход определяет только границу смены режимов «диффузия – конвекция» в области заданных теплофизических и геометрических параметров. Процесс возникновения структурированных конвективных течений и их последующая эволюция на границе смены режимов «диффузия – конвекция» может быть описан численным образом. В результате был разработан алгоритм решения возмущенных уравнений диффузии и конвекции, который в вертикальном канале различных геометрий позволил определить спектр теплофизических и геометрических параметров, вызывающих возникновение надкритических течений в изотермических многокомпонентных газовых смесях.

2. Для тройных систем, где коэффициенты диффузии существенным образом отличаются друг от друга, численным образом получены изоконцентрационные распределения в вертикальных каналах. Для тройных систем H₂O + CH₂O₂ – Ar, He + Ar – N₂, He + R12 – Ar, H₂ + CO₂ – N₂, CH₃OH + H₂O – Ar, где коэффициенты диффузии значительно отличаются, численным образом на основе схемы расщепления по физическим параметрам, получены изоконцентрационные распределения компонентов при различных временах смешения. Определение конвективной неустойчивости может быть связано с существенным искривлением изоконцентрационных распределений, которые отсутствуют при диффузии. Степень искривленности концентрационных распределений зависит от содержания компонента с наибольшим молекулярным весом в системе. При определенных составах искривление исчезает и в системе реализуется диффузия. Аналогичная ситуация проявляется и для системы с заданным исходным составом и различными давлениями. Существует определенное значение давления, при котором наступает существенное искривление изолиний, показывающее, что в системе формируются условия для возникновения надкритических течений.

3. Экспериментально исследованы барические зависимости концентраций компонентов в нескольких смесях при различных соотношениях между коэффициентами диффузии. Для тройных смесей H₂ + CO₂ – N₂, He + R12 – Ar, где коэффициенты диффузии существенным образом отличаются друг от друга, экспериментальным образом была изучена барическая скорость смешения компонентов. Было установлено, что при определенных давлениях наблюдается кинетический переход «диффузия – конвекция». Дальнейший рост давления вызывает появление надкритических течений, осуществляющих преимущественный перенос компонентов с наибольшим молекулярным весом. Для системы N₂ + CO₂ – Ar, где коэффициенты диффузии близки друг к другу, при всех давлениях опыта наблюдалась диффузия. Смена режимов «диффузия – конвекция» в этой системе не наблюдалась.

4. Оценено влияние вязкости смеси и геометрических характеристик каналов. Проведено сравнение опытных данных с расчетными. Для исследования влияния вязкости и геометрии диффузионного канала на возникновение конвективных течений была проведена серия опытов со следующими трехкомпонентными системами 0,440 He (1) + 0,560 CO₂ (2) – N₂ (3) и 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ – N₂O (3). При этом первая смесь изучалась в цилиндрическом диффузионном канале, где в качестве характерного влияющего параметра рассматривается диаметр канала равный 4·10^-3 м, а вторая в плоском вертикальном канале, где толщина канала, равная 6·10^-3 м, является характерным влияющим параметром. При этом увеличение характерного влияющего параметра на два порядка приводит к уменьшению значения давления, при котором происходит переход от диффузионного процесса к неустойчивому. В первой системе переход от диффузионного процесса к конвективному происходит при давлении 0,58 МПа, а для второй системы при давлении 0,39 МПа, что обусловлено также влиянием вязкости диффундирующих компонентов. В системе 0,440 He (1) + 0,560 CO₂ (2) – N₂ (3) вязкости диффундирующих компонентов практически одинаковые, а в системе 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ (2) – N₂O (3) первый и третий компоненты имеют близкие значения вязкостей, а коэффициент вязкости второго компонента (пропана) примерно в 2 раза меньше. Такое различие в значениях вязкостей при практически одинаковых коэффициентах диффузии приводят к тому, что в системе 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ – N₂O (3) неустойчивость проявляется при значительно меньших значениях давления. Таким образом, проведенные исследования показали, что на интенсивность неустойчивого процесса оказывает влияние не только форма диффузионного канала, но и вязкость диффундирующих компонентов. Для рассматриваемых систем были построены карты устойчивости в координатах (Ra₂, p), где Ra₂ – число Рэлея самого тяжелого компонента смеси. Полученные численные данные находятся в хорошем согласии результатами, проведенных экспериментов.

Expected results: During the project development process, the following expected results will be obtained for the first time:

1. An analysis of the stability of mechanical equilibrium and development of computational algorithms will be carried out to determine the optimal thermobaric and concentration conditions of kinetic mixing regimes in multicomponent mixtures in which the diffusion regimes are changed to convective regimes;

2. Spectrum of thermophysical and geometric parameters that cause occurrence of supercritical flows in isothermal multicomponent gas mixtures will be determined;

3. Influence of diffusion mechanisms on the hydrodynamics of mixing multi-component systems getting used to a kinetic transition to the convective phase during mass transfer in cylindrical and flat channels will be studied;

4. Research generation of the initial phase of the supercritical flow in the pulsation regime at different pressures and initial compositions of multicomponent mixtures will be carried out;

5. Behavior of a convective structural formation located between two parallel solid surfaces in a medium of different density with taking into account the movement of the contact line along the solid surface will be studied;

An analysis of the stability of mechanical equilibrium is carried out and computational algorithms are developed, which allow determining the optimal thermobaric and concentration conditions of kinetic mixing regimes in multicomponent mixtures in which the diffusion regimes are changed to convective regimes. It is shown, that in triple gas mixtures, due to the different diffusion velocity of the components, conditions arise for the implementation of convection, which distorts the partial mass transfer expected during isothermal diffusion. It is established, that feature of the organization of concentration fields concluded on, that formed under the condition of a decrease in the density of the mixture with height. Within the framework of the stability theory, the solution of a system of hydrodynamic equations for an isothermal triple mixture is considered. For a flat vertical diffusion channel, a boundary relation is obtained, that allows predicting the transition from a diffusion state to a convective state for specific p – V – T conditions. Critical Rayleigh numbers for even and odd solutions are determined, also characteristic values for the convective mixing velocity are obtained. It is shown, that in the conditions of developed convection, change in the intensity of the transfer of components depending on the pressure is linked with the perturbation mode, that determines various types of convective flows. Work is being down to develop a model of the kinetic transition «diffusion-convection». Critical Rayleigh numbers will be determined for a vertical cylindrical channel.

Spectrum of thermophysical and geometrical parameters causing the occurrence of supercritical flows in isothermal multicomponent gas mixtures has been determined. Physical interpretation for appearance of convective instability and subsequent development of hydrodynamic disturbances are described in detail in the literature. However, use of the Rayleigh thermal problem formalism to describe isothermal multicomponent mixing under conditions of initial steady-state stratification of the mixture requires influence of already several partial concentration gradients to considered. Importance of such an adjustment has been shown in the work of research group, in which it was found, that in ternary systems with different molecular weights M_i and different diffusion coefficients D_ij damping and increasing convective perturbations occur. The latter can be the cause of structured flows in multicomponent diffusion. However, such approach defines only boundary of «diffusion-convection» mode change in the area of given thermophysical and geometrical parameters. Process of occurrence of structured convective flows and their subsequent evolution at the boundary of «diffusion-convection» regime change can be described numerically. As a result, an algorithm for solution of perturbed equations of diffusion and convection has been developed, which in vertical channel of different geometries allowed to determine spectrum of thermophysical and geometrical parameters causing emergence of supercritical currents in isothermal multicomponent gas mixtures.

2. For ternary systems, where diffusion coefficients differ significantly from each other, isoconcentration distributions in vertical channels are numerically obtained. For ternary systems H₂O + CH₂O₂ – Ar, He + Ar – N₂, He + R12 – Ar, H₂ + CO₂ – N₂, CH₃OH + H₂O – Ar, where diffusion coefficients differ significantly, isoconcentration distributions of components at different mixing times were obtained numerically based on physical parameter splitting scheme. Definition of convective instability can be related to significant curvature of the isoconcentration distributions, which are absent during diffusion. Degree of curvature of concentration distributions depends on the component content of the highest molecular weight in system. At certain compositions the curvature disappears and diffusion is realized in the system. Similar situation appears for system with given initial composition and different pressures. There is certain value of pressure, at which significant curvature of isolines occurs, showing that conditions for occurrence of supercritical flows in the system are formed.

3. The baric dependences of component concentrations in several mixtures at different diffusion coefficient ratios were investigated experimentally. For ternary mixtures H₂ + CO₂ – N₂, He + R12 – Ar where diffusion coefficients are significantly different, the baric mixing speed of components was studied experimentally. It was found, that at certain pressures kinetic «diffusion-convection» transition is observed. Further pressure increase causes the appearance of supercritical currents, implementing the preferential transfer of components with the highest molecular weight. For the system N₂ + CO₂ – Ar, where diffusion coefficients are close to each other, diffusion was observed at all test pressures. Diffusion-convection mode change was not observed in this system.

4. Effect of mixture viscosity and channel geometry has been evaluated. The experimental data are compared with the calculated data. Series of experiments with the following three-component systems 0.440 He (1) + 0.560 CO₂ (2) – N₂ (3) и 0.788 CO₂ (1) + 0.212 C₃H₈ – N₂O (3) were implemented to study the effect of viscosity and diffusion channel geometry on the occurrence of convection currents. The first mixture was studied in a cylindrical diffusion channel with channel diameter equal to 4·10^-3 m as a characteristic influencing parameter, and the second mixture was studied in a flat vertical channel with channel thickness equal to 6·10^-3 m as a characteristic influencing parameter. Thus, increase of characteristic influencing parameter by two orders of magnitude leads to decrease of pressure value, at which transition from diffusive process to unstable one occurs. In the first system, transition from diffusion to convection process occurs at a pressure of 0.58 MPa, and for the second system at pressure of 0.39 MPa, which is also caused by viscosity of diffusing components. In the system 0.440 He (1) + 0.560 CO₂ (2) – N₂ (3) the viscosities of diffusing components are practically identical, whereas in system 0.788 CO₂ (1) + 0.212 C₃H₈ (2) – N₂O (3) the first and the third component have similar viscosities, and viscosity of the second component (propane) is about 2 times less. This difference in viscosities at almost same diffusion coefficients leads to the fact that in the system 0.788 CO2 (1) + 0.212 C3H8 — N2O (3) the instability occurs at much lower pressure values. Thus, the study showed, that intensity of unstable process is influenced not only by diffusion channel shape but also by viscosity of diffusing components. Stability maps were constructed for the considered systems in coordinates (Ra₂, p), where Ra₂ is Rayleigh number of the heaviest component of mixture. The obtained numerical data are in good agreement with the results of experiments. (2022).

Жобаны әзірлеу процесінде алғаш рет мынадай күтілетін нәтижелер алынады:

1. Көп компонентті қоспалардағы диффузиялық режимдердің конвективті режимдерге ауысуы орын алатын кинетикалық араластыру режимдерінің оңтайлы термобарикалық және концентрациялық жағдайларын анықтауға мүмкіндік беретін механикалық тепе-теңдіктің тұрақтылығына талдау және есептеу алгоритмдерін әзірлеу жүргізілетін болады;

2. Изотермиялық көпкомпонентті газ қоспаларында критикалық ағындардың пайда болуына әкелетін жылуфизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтау;

3. Диффузиялық механизмдердің цилиндрлік және жазық арналарда масса алмасу кезінде конвективті фазаға кинетикалық ауысуы ұшырайтын аралас көп компонентті жүйелердің гидродинамикасына әсерін зерттеу жүргізілетін болады;

4. Түрлі қысымдар мен көпкомпонентті қоспалардың бастапқы құрамдары кезінде пульсациялық режимде критикалық ағынның бастапқы фазасының генерациясын зерттеу жүргізілетін болады;

5. Қатты бетіндегі байланыс сызығының қозғалысын ескере отырып, тығыздығы әртүрлі ортадағы екі параллель қатты беттердің арасында орналасқан конвективті структуралық құрылымның мінез-құлқы зерттеледі.

Механикалық тепе-теңдіктің тұрақтылығына талдау жасалды және диффузиялық режимнің конвективтіге ауысатын көп компонентті қоспалардағы кинетикалық араластыру режимдерінің оңтайлы термобариялық және концентрациялық жағдайларын анықтауға мүмкіндік беретін есептеу алгоритмдері жасалды. Үш компонентті газ қоспаларында компоненттердің әртүрлі диффузиялық жылдамдығына байланысты изотермиялық диффузияда күтілетін парциалды масса тасымалын бұрмалайтын конвекцияны жүзеге асыру шарттары пайда болатындығы көрсетілген. Концентрациялық өрістерді ұйымдастырудың ерекшелігі, олар қоспаның тығыздығы биіктікке дейін төмендеген жағдайда пайда болатындығы анықталды. Тұрақтылық теориясы аясында изотермиялық үш компонентті қоспаның гидродинамикалық теңдеулер жүйесінің шешімі қарастырылды. Жазық вертикал диффузиялық канал үшін нақты p – V – T жағдайлары үшін диффузиялық күйден конвективті күйге ауысуды болжауға мүмкіндік беретін шекаралық қатынас алынады. Рэлейдің критикалық сандары жұп және тақ шешімдер үшін анықталған, сонымен қатар конвективті араластыру жылдамдығына тән мәндер алынған. Дамыған конвекция жағдайында қысымға байланысты компоненттердің тасымалдау қарқындылығының өзгеруі конвективті ағындардың түрлерін анықтайтын ұйытқу режимімен байланысты екендігі көрсетілген.

«Диффузия – конвекция» кинетикалық ауысу моделін әзірлеу бойынша жұмыс жүргізілуде. Вертикал цилиндрлік канал үшін Рэлейдің критикалық сандары анықталады.

Изотермиялық көп компонентті газ қоспаларында критикалық ағындардың пайда болуына әкелетін термофизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтау жүргізілді. Конвективті тұрақсыздықтың пайда болуы және гидродинамикалық бұзылулардың кейінгі дамуы туралы физикалық түсінік әдебиетте егжей-тегжейлі сипатталған. Алайда, Рэйлейдің жылу есебінің формализмін қоспаның бастапқы тұрақты стратификациясы жағдайында изотермиялық көп компонентті араластыруды сипаттау үшін қолдану бірнеше жартылай концентрация градиенттерінің әсерін ескеруді қажет етеді. Мұндай түзетудің маңыздылығы зерттеу тобының еңбектерінде көрсетілді, онда әртүрлі молекулалық салмақтары бар M_i және әртүрлі D_ij диффузиялық коэффициенттері бар үштік жүйелерде конвективті бұзылулардың төмендеуі және жоғарылауы байқалады. Соңғысы көп компонентті диффузиямен құрылымдық ағымдардың пайда болуына себеп болуы мүмкін. Алайда, бұл тәсіл термофизикалық және геометриялық параметрлер саласындағы «диффузия – конвекция» режимдерінің өзгеру шекарасын ғана анықтайды. «Диффузия – конвекция» режимдерінің өзгеру шекарасындағы құрылымдалған конвективті ағымдардың пайда болу процесін және олардың кейінгі эволюциясын сандық түрде сипаттауға болады. Нәтижесінде диффузия мен конвекцияның бұзылған теңдеулерін шешу алгоритмі жасалды, ол әртүрлі геометриялардың тік каналында изотермиялық көп компонентті газ қоспаларында критикалық ағымдардың пайда болуына әкелетін термофизикалық және геометриялық параметрлердің спектрін анықтауға мүмкіндік берді.

2. Диффузия коэффициенттері бір-бірінен айтарлықтай ерекшеленетін үштік жүйелер үшін тік арналардағы изоконцентрациялық үлестірімдер сандық түрде алынады. Үш тікжүйелер үшін H₂O + CH₂O₂ – Ar, He + Ar – N₂, He + R12 – Ar, H₂ + CO₂ – N₂, CH₃OH + H₂O – Ar, мұнда диффузия коэффициенттері айтарлықтай ерекшеленеді, физикалық параметрлер бойынша бөлу схемасы негізінде компоненттердің изоконцентрлік таралуы әртүрлі араластыру уақыттарында алынады. Конвективті тұрақсыздықты анықтау диффузияда жоқ изоконцентрациялық үлестірулердің айтарлықтай қисықтығымен байланысты болуы мүмкін. Концентрациялық үлестірімнің қисықтық дәрежесі жүйеде ең жоғары молекулалық салмағы бар компоненттің құрамына байланысты. Белгілі бір қосылыстарда қисықтық жоғалады және диффузия жүйеде жүзеге асырылады. Ұқсас жағдай бастапқы құрамы мен әртүрлі қысымдары бар жүйе үшін де көрінеді. Қысымның белгілі бір мәні бар, онда оқшаулаудың айтарлықтай қисықтығы пайда болады, бұл жүйеде критикалық ағымдардың пайда болуы үшін жағдайлар қалыптасатынын көрсетеді.

3. Диффузия коэффициенттері арасындағы әртүрлі қатынастардағы бірнеше қоспалардағы компоненттер концентрациясының барикалық тәуелділігі эксперименталды түрде зерттелді. Диффузия коэффициенттері бір – бірінен айтарлықтай ерекшеленетін H₂ + CO₂ – N₂, He + R12-Ar үштік қоспалары үшін компоненттердің барикалық араластыру жылдамдығы эксперименталды түрде зерттелді. Белгілі бір қысым кезінде «диффузия – конвекция» кинетикалық ауысуы байқалады. Қысымның одан әрі өсуі ең жоғары молекулалық салмағы бар компоненттердің басым берілуін жүзеге асыратын критикалық ағымдардың пайда болуына әкеледі. Диффузия коэффициенттері бір – біріне жақын орналасқан N₂ + CO₂-Ar жүйесі үшін барлық тәжірибе қысымында диффузия байқалды. Бұл жүйеде» диффузия – конвекция » режимдерінің өзгеруі байқалмады.

4. Қоспаның тұтқырлығы мен каналдардың геометриялық сипаттамаларының әсері бағаланды. Тәжірибелік деректерді есептеулермен салыстыру жүргізілді. Диффузиялық арнаның тұтқырлығы мен геометриясының конвективті ағымдардың пайда болуына әсерін зерттеу үшін келесі үш компонентті жүйелермен 0,440 He (1) + 0,560 CO₂ (2) – N₂ (3) және 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ – N₂O (3) бірқатар тәжірибелер жүргізілді. Сонымен қатар, бірінші қоспасы цилиндрлік диффузиялық арнада зерттелді, онда арнаның диаметрі 4·10^-3 м-ге, ал екіншісі-арнаның қалыңдығы 6·10^-3 м-ге тең болатын тегіс тік арнада сипаттамалық әсер ету параметрі қарастырылады. Бұл жағдайда сипаттамалық әсер ету параметрінің екі ретті жоғарылауы қысымның төмендеуіне әкеледі, онда диффузиялық процестен тұрақсызға ауысу жүреді. Бірінші жүйеде диффузиялық процестен конвективке ауысу 0,58 МПа қысымда, ал екінші жүйе үшін 0,39 МПа қысымда жүреді, бұл диффузиялық компоненттердің тұтқырлығының әсеріне байланысты. 0,440 Нe (1) + 0,560 CO₂ (2) – N₂ (3) жүйесінде диффузиялық компоненттердің тұтқырлығы бірдей, ал 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ (2) – N₂O (3) жүйесінде бірінші және үшінші компоненттер тұтқырлық мәндеріне жақын, ал екінші компоненттің тұтқырлық коэффициенті (пропан) шамамен 2 есе аз. Диффузияның бірдей коэффициенттері бар тұтқырлық мәндеріндегі мұндай айырмашылық 0,788 CO₂ (1) + 0,212 C₃H₈ – N₂O (3) жүйесінде тұрақсыздық қысымның едәуір төмен мәндерінде көрінеді. Осылайша, зерттеулер тұрақсыз процестің қарқындылығына диффузиялық каналдың формасы ғана емес, сонымен қатар диффузиялық компоненттердің тұтқырлығы да әсер ететіндігін көрсетті. Қарастырылып отырған жүйелер үшін координаталарда тұрақтылық карталары жасалды (Ra₂, p), мұндағы Ra₂ – қоспаның ең ауыр компонентінің Рейлей саны. Алынған сандық деректер жүргізілген эксперименттердің нәтижелерімен жақсы үйлеседі.